丁鵬飛，王恒彬，王建超

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035）

1 引言

球柵陣列（BGA）封裝技術(shù)為高密度表面裝配封裝技術(shù)。BGA 封裝底部的引腳都為球狀并排列成一個(gè)類似于格子的圖案，因此該封裝形式被命名為BGA封裝。測試插座也稱測試夾具或者IC 插座，是指可以放入多引腳集成電路并且可以被安裝在集成電路測試板上的插座[1]。

BGA 封裝作為主流封裝形式之一，避免其在集成電路測試過程中出現(xiàn)封裝外觀異常對保證產(chǎn)品質(zhì)量非常重要。BGA 封裝的特點(diǎn)之一是使用焊錫作為引線。這些引線在芯片底部是呈現(xiàn)球狀排列的，因此被稱為焊錫球或焊球。由于BGA 封裝的球狀引線數(shù)量多、間距小，并且焊球的強(qiáng)度相對較差，因此在測試過程中，需要保證良好的電接觸，同時(shí)也要盡可能減小對焊球的損傷[2]。

BGA 封裝測試插座的接觸件多采用彈簧針式結(jié)構(gòu)。彈簧針本身能夠在一定程度上保護(hù)BGA 封裝電路的焊球，但是彈簧針式結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)在球體上產(chǎn)生較大壓痕，因此，研究如何解決測試插座對BGA封裝電路焊球外觀造成損壞的問題，具有重要的意義[3]。通過分析傳統(tǒng)的測試插座結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并優(yōu)化一種用于BGA 封裝的測試插座，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出一種解決BGA 封裝電路焊球在測試中出現(xiàn)外觀異常的方案。

2 BGA 測試插座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以一款包含77 個(gè)引腳的BGA 封裝電路作為研究對象，該電路是一款單通道電流為4 A 的四通道降壓型DC-DC 電源模塊，其工作電壓為4～14 V，采用BGA 塑封結(jié)構(gòu)。測試插座的結(jié)構(gòu)為翻蓋式結(jié)構(gòu)，其主要由鎖緊機(jī)構(gòu)、接觸件、蓋板、彈簧等零件組成。將封裝電路放入插座后即可實(shí)現(xiàn)電路與接觸件的可靠接觸，翻蓋式插座結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 翻蓋式插座結(jié)構(gòu)

將優(yōu)化前和優(yōu)化后的插座分別稱為插座A 和插座B，插座A、B 與BGA 封裝電路焊球的接觸部位不同。插座A 的接觸件采用彈簧針式結(jié)構(gòu)，彈簧針與焊球緊密接觸，圖2 為彈簧針與BGA 焊球接觸示意圖。插座B 放棄彈簧針式接觸件結(jié)構(gòu)，改為無針式接觸件結(jié)構(gòu)，采用導(dǎo)電膠與BGA 焊球接觸，提高了焊球與接觸件的接觸面積，避免了彈簧針對焊球外觀產(chǎn)生異常影響。導(dǎo)電膠接觸件的外觀結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其中每個(gè)焊球的中心部分為導(dǎo)電膠，球體與導(dǎo)電膠直接接觸，焊球中心部分和邊緣之間設(shè)置一圈環(huán)形絕緣材料，避免因?qū)щ娔z與其他部分直接接觸而產(chǎn)生短路的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

圖2 彈簧針與BGA 焊球接觸示意圖

圖3 導(dǎo)電膠接觸件的外觀結(jié)構(gòu)

3 BGA 測試插座測試方案

彈簧針式測試插座雖然被廣泛使用，但在使用過程中不可避免地會(huì)對BGA 封裝電路的焊球外觀造成異常影響。特定的使用條件（在超低溫和超高溫下）或者特定的使用目的（作為宇航產(chǎn)品使用）對經(jīng)過測試的BGA 封裝電路的完整性有較高要求，在測試中產(chǎn)生的微小外觀異常會(huì)增加產(chǎn)品的使用風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對測試過程中出現(xiàn)的BGA 封裝電路焊球外觀異常進(jìn)行優(yōu)化解決[5]。在實(shí)際測試中，溫度、工作電壓通常被認(rèn)為是影響電路測試結(jié)果的兩大因素，因此選擇溫度、工作電壓作為測試方案的主要影響因子，探究除了插座的材料與結(jié)構(gòu)外，這兩種因素是否會(huì)對BGA封裝焊球的外觀產(chǎn)生影響，在保證其他因素不變的情況下改變一種影響因子，觀察并分析2 種BGA 封裝電路焊球外觀的變化情況[6]。

3.1 不同溫度下BGA 封裝電路焊球外觀變化

軍品級集成電路一般在－55～125 ℃的溫度下工作，選擇－55 ℃、25 ℃、125 ℃3 種溫度作為影響因子，為確保其他變量不變，在此條件下僅對電路進(jìn)行接觸測試[7]。具體操作如下：

1）挑選6 顆BGA 封裝電路在顯微鏡下進(jìn)行觀察并拍照，確保6 顆電路的焊球外觀無明顯異常，6 顆電路分別為T1、T2、T3、T4、T5、T6；

2）在－55 ℃、25 ℃、125 ℃的溫度下，分別把T1、T2、T3放入插座A 進(jìn)行測試，應(yīng)保證電路在各溫度下靜置1 min 后再開始測試，以符合實(shí)際生產(chǎn)中測試電路的狀態(tài)；

3）在－55 ℃、25 ℃、125 ℃的溫度下，分別把T4、T5、T6放入插座B 進(jìn)行測試，應(yīng)保證電路在各溫度下靜置1 min 后再開始測試，以符合實(shí)際生產(chǎn)中測試電路的狀態(tài)；

4）在顯微鏡下觀察測試后T1、T2、T3、T4、T5、T6的焊球并對外觀拍照；

5）分析測試前后各電路焊球的外觀差異。

3.2 不同工作電壓下BGA 封裝電路焊球外觀變化

選擇4 V、9 V、14 V 3 種工作電壓進(jìn)行測試，為確保其他變量不變，在25 ℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行測試，具體操作如下：

1）挑選6 顆BGA 封裝電路在顯微鏡下進(jìn)行觀察并拍照，確保6 顆電路的焊球外觀無明顯異常，6 顆電路分別為C1、C2、C3、C4、C5、C6；

2）分別把C1、C2、C3放入插座A，在4 V、9 V、14 V的工作電壓下進(jìn)行測試，應(yīng)保證電路在常溫下靜置1 min 后開始測試，以符合實(shí)際生產(chǎn)中測試電路的狀態(tài)；

3）分別把C4、C5、C6放入插座B，在4 V、9 V、14 V的工作電壓下進(jìn)行測試，應(yīng)保證電路在常溫下靜置1 min 后開始測試，以符合實(shí)際生產(chǎn)中測試電路的狀態(tài)；

4）在顯微鏡下觀察電路C1、C2、C3、C4、C5、C6的焊球并對外觀拍照；

5）分析測試前后各電路焊球的外觀差異。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 不同溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在－55 ℃、25 ℃、125 ℃3 個(gè)溫度下使用插座A 和插座B 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試后使用顯微鏡對各電路焊球外觀進(jìn)行拍照。－55 ℃下采用插座A、B 測試后的BGA封裝電路焊球外觀如圖4 所示，25 ℃下采用插座A、B測試后的BGA 封裝電路焊球外觀如圖5 所示，125 ℃下采用插座A、B 測試后的BGA 封裝電路焊球外觀如圖6 所示。從圖4（a）、5（a）、6（a）可以看出，3 種溫度下使用插座A 測試后電路焊球外觀出現(xiàn)了明顯的凹形坑體，在77 個(gè)焊球上均有分布。從圖4（b）、5（b）、6（b）可以看出，使用插座B 測試后電路焊球外觀無明顯坑體，表面光滑，這說明插座B 對焊球外觀無顯著影響。25 ℃下采用插座A、B 測試后的電路單個(gè)焊球外觀如圖7 所示，從圖7（a）可以看出，凹形坑體主要分布在焊球上方，呈圓圈狀分布，坑體較深。綜上所述，在不同溫度下采用相同插座進(jìn)行測試，電路焊球的外觀無明顯差別，因此，在溫度為－55～125 ℃時(shí)，在電路測試中溫度變化不會(huì)對電路焊球的外觀產(chǎn)生影響。

圖4 －55 ℃下采用插座A、B 測試后的BGA 封裝電路焊球外觀

圖5 25 ℃下采用插座A、B 測試后的BGA封裝電路焊球外觀

圖6 125 ℃下采用插座A、B 測試后的BGA封裝電路焊球外觀

圖7 25 ℃下采用插座A、B 測試后的電路單個(gè)焊球外觀

4.2 不同工作電壓下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在4 V、9 V、14 V 的工作電壓下使用插座A 和插座B 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試后使用顯微鏡對各電路焊球外觀進(jìn)行拍照。4 V 電壓下采用插座A、B 測試后的BGA封裝電路焊球外觀如圖8 所示，9 V 電壓下采用插座A、B 測試后的BGA 封裝電路焊球外觀如圖9 所示，14 V 電壓下采用插座A、B 測試后的BGA 封裝電路焊球外觀如圖10 所示。從圖8（a）、9（a）、10（a）可以看出，3 種工作電壓下使用插座A 測試后電路焊球外觀出現(xiàn)了明顯的凹形坑體，在77 個(gè)焊球上均有分布。從圖8（b）、9（b）、10（b）可以看出，使用插座B 測試后電路焊球表面無明顯坑體和明顯壓痕，這說明插座B 對焊球外觀無明顯影響。9 V 電壓下采用插座A、B 測試后的單個(gè)焊球外觀如圖11 所示，從圖11（a）可以看出，坑體主要分布在焊球上方，呈圓圈狀分布，坑體較深。在不同工作電壓下采用相同插座進(jìn)行測試，電路焊球的外觀無明顯差別。綜上所述，當(dāng)工作電壓為4～14 V 時(shí)，在電路測試中工作電壓的變化不會(huì)對電路焊球的外觀產(chǎn)生影響。

圖8 4 V 電壓下采用插座A、B 測試后的BGA 封裝電路焊球外觀

圖9 9 V 電壓下采用插座A、B 測試后的BGA 封裝電路焊球外觀

圖10 14 V 電壓下采用插座A、B 測試后的BGA 封裝電路焊球外觀

圖11 9 V 電壓下采用插座A、B 測試后電路的單個(gè)焊球外觀

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在不同溫度和工作電壓下采用2 種插座進(jìn)行BGA 封裝焊球外觀實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明優(yōu)化后的無針式插座對BGA 封裝電路焊球外觀的影響較小，而接觸件為彈簧針式結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)常用插座對BGA 封裝電路焊球外觀的影響較大。采用彈簧針式結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)常用插座測試后電路焊球上出現(xiàn)的壓痕較大，坑體較深。由測試插座造成的外觀缺陷會(huì)降低電路的可靠性，縮短電路的使用壽命，還會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)電路焊球產(chǎn)生裂紋，影響電路的電性能，并降低其抗振動(dòng)性能。優(yōu)化后的無針式插座可以大幅降低對電路焊球外觀的異常影響，從而降低電路后續(xù)使用風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

在BGA 封裝電路測試過程中，常用的彈簧針式測試插座容易對BGA 封裝的焊球外觀造成損傷，因此對彈簧針式測試插座進(jìn)行優(yōu)化，從優(yōu)化測試插座接觸件的角度設(shè)計(jì)出無針插座。在不同溫度和工作電壓下采用2 種插座對BGA 封裝的焊球進(jìn)行外觀影響實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無針插座能夠明顯減少對BGA 封裝焊球外觀的損傷，且在不同溫度和工作電壓下對焊球外觀都無明顯影響，有效保證了測試后的產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中僅選取了－55～125 ℃的溫度范圍和4～14 V的工作電壓范圍作為可能影響B(tài)GA 封裝焊球外觀的因素，后期將在此研究基礎(chǔ)上增加其他影響因素，探究無針式測試插座對測試BGA 封裝焊球外觀的影響。